CN102281178A - 环网链路冗余控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环网链路冗余控制系统及控制方法，该系统包括至少一台交换机，每台交换机均通过一个LRC旁路保护设备与环网相连，LRC旁路保护设备监控交换机与环网的通讯链路是否畅通；所述LRC旁路保护设备包括主路链路、旁路链路、开关、检测处理模块；主路链路与旁路链路并行与环网相连；开关设置于主路链路和旁路链路之间，用以选择其中一条链路导通；交换机与LRC旁路保护设备的主路链路相连；检测处理模块一端与交换机相连，另一端与开关相连，用以检测交换机的存活状态是否正常，若不正常则控制开关切换使旁路链路导通。本发明能够通过LRC旁路保护设备的冗余链路切换使得整个网络自始至终保持正常环形网络拓扑结构，大大提高了网络通讯的可靠性。

Description

环网链路冗余控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，涉及一种环网链路冗余控制系统及控制方法。

背景技术

以前的冗余网络大多采用双总线方式予以实现，所以不能构建冗余环网。随着以太网和交换技术的发展应用，使得建立简单的冗余环成为可能。仅需要在总线网络的两端之间增加一条连接就可以实现高效高性价比的冗余了。如赫斯曼的HUB和交换机可以构成环形结构，用于要求高实时性高数据传输可靠性的场合。网络的冗余机制能够检测网络故障并瞬时激活备用系统，使传输介质发生故障时网络亦能正常工作。如工业级系列交换机(RS2-XX/XX和MICE系列)的一个重要功能是内置了冗余管理器，支持超级冗余环。如果发生连接故障时，环形结构可以在小于300毫秒的时间内切换成具有全部传输能力的总线结构，并且在环上最多可有100台交换机。对于较小规模的环，切换时间要更快。工业级交换机的这一特点一定程度上保证了网络和系统的可靠性。下面介绍冗余环网的几种结构：

1、单环单结点：是典型的超级冗余环(单环)结构之一，如图1所示，该结构允许环网中出现一个链路故障。当某一条链路发生接故障时，交换机的冗余机制能够瞬时激活备用链路，并在最多200毫秒的时间内恢复全网的通信。但是该结构属简单的冗余方案，当出现交换机、终端设备等硬件出现故障时，将导致网络的单点故障。

2、单环双结点：是单环单结点方案的变形，如图2所示，该结构是在每一个结点(车站)都增加一台交换机，主要的终端设备也要求使用双网卡，2块网卡分别连接到2台交换机上。该结构除保留了单环单结点结构的特点外，还能提供交换机、终端设备等硬件设备的故障冗余。当网络中同时出现一台交换机、一条链路和一台终端设备网卡故障时，网络通信并不会受到任何的影响。当然这个方案的成本也较高。但是，如果在某一个串行多台交换机的工业环网中同时出现两台或多台交换机发生故障或宕机，那么此结构仍然无法继续保证通讯。

对于工业环网来说，越来越多的交换机设备通过串联接入到网络链路中，为广大用户提供可靠的业务传输。但是接入的交换机设备因为各种原因可能出现故障，在没有任何链路保护措施的情况下可能会导致整个被监控网络直接瘫痪，这种情况是任何被接入的工业系统都无法接受的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种环网链路冗余控制系统及控制方法，其能够通过LRC旁路保护设备的冗余链路切换使得整个网络自始至终保持正常环形网络拓扑结构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种环网链路冗余控制系统，包括至少一台交换机，每台交换机均通过一个LRC旁路保护设备与环网相连，所述LRC旁路保护设备用以监控交换机与环网的通讯链路是否畅通；所述LRC旁路保护设备包括主路链路、旁路链路、开关、检测处理模块；所述主路链路与旁路链路并行与环网相连；所述开关设置于主路链路和旁路链路之间，用以选择其中一条链路导通；交换机与LRC旁路保护设备的主路链路相连；所述检测处理模块一端与交换机相连，另一端与开关相连，用以检测交换机的存活状态是否正常，若不正常则控制开关切换使旁路链路导通，主路链路断开。

作为本发明的一种优选方案，所述开关为继电器或光控开关。

作为本发明的另一种优选方案，所述环网为单环单结点结构、或双环双结点结构。

作为本发明的再一种优选方案，所述LRC旁路保护设备的触发方式为光源触发，在设备没有通电的情况下，旁路链路导通；如果设备一旦通电后，旁路链路立即断开，主路链路导通。

作为本发明的再一种优选方案，所述LRC旁路保护设备的触发方式为程序控制或Watchdog来控制。

一种环网链路冗余控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，交换机通过LRC旁路保护设备的主路链路连接到环网上；所述LRC旁路保护设备包括主路链路、旁路链路、开关、检测处理模块；

步骤二，LRC旁路保护设备的检测处理模块周期检测交换机的存活状态是否正常，若不正常，则在毫秒级的时钟周期内控制LRC旁路保护设备的开关迅速切换到旁路链路上；若检测处理模块检测到交换机的存活状态恢复正常后，则自动控制LRC旁路保护设备的开关连接到主路链路上。

作为本发明的一种优选方案，所述检测处理模块的具体检测过程为：检测处理模块周期性地发送心跳包给与自身相连的交换机，若交换机正常回复，则表示交换机的存活状态正常；若交换机连续几次没有正常回复，则表示交换机的存活状态不正常，此时检测处理模块在毫秒级的时钟周期内控制开关迅速切换使旁路链路导通，主路链路断开。

作为本发明的另一种优选方案，所述LRC旁路保护设备具有手动和自动两种工作模式。

本发明的有益效果在于：本发明所述的环网链路冗余控制系统在环网交换机发生故障和宕机时，能够通过LRC旁路保护设备的冗余链路切换使得整个网络自始至终保持正常环形网络拓扑结构，除发生故障和宕机的交换机区域通讯中断外，其他区域网络通讯工作正常，大大提高了网络通讯的可靠性。

附图说明

图1为典型的单环单结点超级冗余环的结构示意图；

图2为典型的单环双结点超级冗余环的结构示意图；

图3为本发明所述的LRC旁路保护设备的结构框图；

图4为实施例二所述的环网链路冗余控制系统的结构示意图；

图5为不具备LRC旁路保护设备的环网链路冗余控制系统的结构示意图；

图6为不具备LRC旁路保护设备的环网链路冗余控制系统的链路传输状态示意图；

图7为具备LRC旁路保护设备的环网链路冗余控制系统的结构示意图；

图8为具备LRC旁路保护设备的环网链路冗余控制系统的链路传输状态示意图。

具体实施方式

本发明采用了LRC(Link Redundancy Control，环网冗余控制)设备，可以在环网(例如赫斯曼的超级冗余环)主干交换机断电或者宕机的情况保证网络畅通，提供对物理网络链路的可靠性保护。当网络安全设备发生故障后，LRC旁路保护设备可以让连接在发生故障的网络安全设备上的网络相互导通，当然此时这台网络安全设备也就不会再对网络中的用户提供业务服务了。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种环网链路冗余控制系统，包括至少一台交换机，每台交换机均通过一个LRC旁路保护设备与环网相连，所述LRC旁路保护设备用以监控交换机与环网的通讯链路是否畅通。如图3所示，所述LRC旁路保护设备包括主路链路、旁路链路、开关、检测处理模块；所述主路链路与旁路链路并行与环网相连；所述开关设置于主路链路和旁路链路之间，用以选择一条链路导通，即：若开关选择主路链路导通，则环网通过主路链路传输数据，此时旁路链路断开；若开关选择旁路链路导通，则环网通过旁路链路传输数据，此时主路链路断开。交换机与LRC旁路保护设备的主路链路相连，用以通过主路链路实现与环网的数据传输。所述检测处理模块一端与交换机相连，另一端与开关相连；检测处理模块用以检测交换机的存活状态是否正常，若不正常，则在毫秒级的时钟周期内控制开关迅速切换到“旁路”状态(即旁路链路导通，主路链路断开)，从而保证LRC旁路保护设备监控的通讯链路畅通；当检测处理模块检测到交换机的存活状态恢复正常后，会自动控制所述开关连接到主路链路，以保证流控设备的正常流量监控。

所述LRC旁路保护设备具有两种工作模式，分别为：

手动模式——LRC旁路保护设备仅能通过手动的方式切换工作状态；

自动模式——此工作模式下，LRC旁路保护设备能通过向主干交换机(即连接在主路链路上的交换机)发送心跳包自动检测主干交换机的存活情况，当检测到主干交换机存活状态不正常时，在毫秒级的时钟周期内迅速切换成“旁路”状态，从而保证LRC监控的通讯链路畅通；另外，当LRC旁路保护设备检测到监控的主干交换机工作正常后，又会自动恢复成“主路链路接入”状态，以保证流控设备的正常流量监控。

所述检测处理模块的具体检测过程为：设置心跳次数，当LRC旁路保护设备连续检测到主干交换机(即连接在主路链路上的交换机)有几次心跳没有正常回复后，即判断为主干交换机存活状态不正常，从而切换成旁路链路导通状态；或者设置心跳间隔，即LRC旁路保护设备向主干交换机发送心跳包的间隔时间，也可以理解成心跳周期，一般范围是5-120ms；所述LRC旁路保护设备也支持通过网口向主干交换机发送心跳包。

所述LRC旁路保护设备可以为电口LRC或光口LRC。

电口LRC主要使用的就是继电器。这些继电器主要连接两个冗余链路网口的各个网口信号线上。以电源触发为例，当断电的情况下，继电器内的开关将会跳拨到1的状态。

光口LRC主要使用电压变化来控制光开关。光开关会有多个引脚，通过不同引脚之间的电压变化来确定开关的导通情况。

所述LRC旁路保护设备按照控制方式或者称为触发方式来分，可以分为以下几种工作方式：

1、通过电源触发：这种方式下，一般是在设备没有通电的情况下，LRC的链路冗余功能打开，如果设备一旦通电后，LRC的链路冗余立即调整为关闭状态。

此种触发情况下，具有以下功能：

A)断电旁路保护：当系统设备电源出现故障无法供电时，所述LRC旁路保护设备可实现瞬间(＜8ms，可设置)自动切换到旁路状态，保证继续通信。当恢复供电时，LRC旁路保护设备根据系统指令(此处的系统指令是被保护设备本身发出的)切换到在线状态(即主路链路导通状态)，切换时间可以根据需要进行设置。

B)系统硬件故障、软件死锁而无法运行时旁路保护：LRC保护系统(即LRC旁路保护设备)和被保护系统(即被LRC旁路保护设备保护的交换机或其他装置)中的数据相连，由系统(即被保护设备本身)发送指令控制LRC保护系统，当系统正常运行时，LRC保护系统处于在线状态。当系统出现故障(系统硬件故障、软件死锁)的时候，LRC保护系统按照设置自动切换到旁路状态，保证继续通信。当系统恢复工作时，LRC保护系统根据系统指令切换到在线状态，切换时间可以根据需要进行设置。

2、程序控制：在进入OS(Operating System，操作系统)后，可以通过专用设置来对特定的端口操作，从而实现对LRC旁路保护设备的链路冗余控制开关的控制。

3、由Watchdog(看门狗)来控制：这种情况实际是对方式2的一种延伸应用，可以通过Watchdog来控制冗余链路控制程序的启用不关闭，从而实现对LRC旁路保护设备状态的控制；使用这种方式后，平台如果死机就可以由Watchdog来打开冗余链路。

实施例二

本实施例提供一种环网链路冗余控制系统，如图4所示，该系统为单环双结点结构，包括A、B、C三个节点，每个节点均连有2台交换机，每台交换机均通过一LRC旁路保护设备与环网相连，所述LRC旁路保护设备用以监控交换机与环网的通讯链路是否畅通。所述LRC旁路保护设备与实施例一所述的LRC旁路保护设备相同。

除了图4所示的单环双结点结构外，本发明所述的环网链路冗余控制系统也可以为单环单结点结构、或双环双结点结构等。

图5为不具备LRC旁路保护设备的环网链路冗余控制系统的结构示意图；图6为不具备LRC旁路保护设备的环网链路冗余控制系统的链路传输状态示意图；从图中可以看出，不具备LRC旁路保护设备的环网链路冗余控制系统在交换机发生故障时，节点A至节点B的数据传输完全终止，整个环网处于瘫痪状态。

图7为具备LRC旁路保护设备的环网链路冗余控制系统的结构示意图；图8为具备LRC旁路保护设备的环网链路冗余控制系统的链路传输状态示意图。从图中可以看出，具备LRC旁路保护设备的环网链路冗余控制系统在交换机发生故障时，节点A至节点B的数据传输仍然可以正常进行，整个环网也处于正常工作状态。

实施例三

本实施例提供一种实施例一所述的环网链路冗余控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，交换机通过LRC旁路保护设备的主路链路连接到环网上；

步骤二，LRC旁路保护设备的检测处理模块周期检测交换机的存活状态是否正常，若不正常，则在毫秒级的时钟周期内控制LRC旁路保护设备的开关迅速切换到旁路链路上，从而保证LRC旁路保护设备监控的通讯链路畅通；若检测处理模块检测到交换机的存活状态恢复正常后，则自动控制LRC旁路保护设备的开关连接到主路链路上，保证流控设备的正常流量监控。

所述检测处理模块的具体检测过程为：检测处理模块周期性地发送心跳包给与自身相连的交换机，若交换机正常回复，则表示交换机的存活状态正常；若交换机连续几次没有正常回复，则表示交换机的存活状态不正常，此时检测处理模块在毫秒级的时钟周期内控制开关迅速切换到“旁路”状态(即旁路链路导通，主路链路断开)，从而保证LRC旁路保护设备监控的通讯链路畅通。

所述检测处理模块可以设置心跳次数，当LRC旁路保护设备连续检测到主干交换机(即连接在主路链路上的交换机)有几次心跳没有正常回复后，即判断为主干交换机的存活状态不正常，从而切换成旁路链路导通状态；也可以设置心跳间隔，即LRC旁路保护设备向主干交换机发送心跳包的间隔时间，也可以理解成心跳周期，一般范围是5-120ms；所述LRC旁路保护设备也支持通过网口向主干交换机发送心跳包。

随着现代科学技术的发展，越来越多的工业通讯网络采用环网以太网来进行控制通讯，作为环网通讯中最为重要的主干链路，其本身的物理工作状态非常关键，链路畅通与否关系到整个控制网络的运行。在某些重要场合如煤矿、化工现场等关系到重大的人身安全和环境安全，因此对于串行环网，尤其是较长距离的串行网络，本发明所述的技术方案有较大的实用价值和社会经济意义。

本发明所述的技术方案涉及串行环网和LRC旁路保护设备，其结合了工业级环网交换机和LRC旁路保护设备。当一个或多个工业级环网交换机发生故障和宕机，通过LRC旁路保护设备的冗余链路切换使得整个网络自始至终保持正常环形网络拓扑结构，除发生故障和宕机的交换机区域通讯中断外，其他区域网络通讯工作正常，大大提高了网络通讯的可靠性。本发明适用于长距离管线、铁路沿线通讯、高速公路、无人值守站点等大规模长线工业网络结构；同时本发明所述系统的结构简单，使用维护方便，使用范围广泛，易于推广应用，为工业环网的通讯可靠技术发展奠定了更好的基础。

本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (8)

1.一种环网链路冗余控制系统，其特征在于：包括至少一台交换机，每台交换机均通过一个LRC旁路保护设备与环网相连，所述LRC旁路保护设备用以监控交换机与环网的通讯链路是否畅通；所述LRC旁路保护设备包括主路链路、旁路链路、开关、检测处理模块；所述主路链路与旁路链路并行与环网相连；所述开关设置于主路链路和旁路链路之间，用以选择其中一条链路导通；交换机与LRC旁路保护设备的主路链路相连；所述检测处理模块一端与交换机相连，另一端与开关相连，用以检测交换机的存活状态是否正常，若不正常则控制开关切换使旁路链路导通，主路链路断开。

2.根据权利要求1所述的环网链路冗余控制系统，其特征在于：所述开关为继电器或光控开关。

3.根据权利要求1所述的环网链路冗余控制系统，其特征在于：所述环网为单环单结点结构、或双环双结点结构。

4.根据权利要求1所述的环网链路冗余控制系统，其特征在于：所述LRC旁路保护设备的触发方式为电源触发，在设备没有通电的情况下，旁路链路导通；如果设备一旦通电后，旁路链路立即断开，主路链路导通。

5.根据权利要求1所述的环网链路冗余控制系统，其特征在于：所述LRC旁路保护设备的触发方式为程序控制或Watchdog来控制。

6.权利要求1所述的环网链路冗余控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，交换机通过LRC旁路保护设备的主路链路连接到环网上；所述LRC旁路保护设备包括主路链路、旁路链路、开关、检测处理模块；

步骤二，LRC旁路保护设备的检测处理模块周期检测交换机的存活状态是否正常，若不正常，则在毫秒级的时钟周期内控制LRC旁路保护设备的开关迅速切换到旁路链路上；若检测处理模块检测到交换机的存活状态恢复正常后，则自动控制LRC旁路保护设备的开关连接到主路链路上。

7.根据权利要求6所述的环网链路冗余控制方法，其特征在于：步骤二中，所述检测处理模块的具体检测过程为：检测处理模块周期性地发送心跳包给与自身相连的交换机，若交换机正常回复，则表示交换机的存活状态正常；若交换机连续几次没有正常回复，则表示交换机的存活状态不正常，此时检测处理模块在毫秒级的时钟周期内控制开关迅速切换使旁路链路导通，主路链路断开。

8.根据权利要求7所述的环网链路冗余控制方法，其特征在于：所述LRC旁路保护设备具有手动和自动两种工作模式。

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